上覆巨厚油页岩近距离煤层群瓦斯防治技术

张东旭

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

瓦斯灾害是煤矿的主要灾害之一[1-2]。煤层的赋存条件直接影响煤层瓦斯的大小。煤层瓦斯的赋存影响因素较多，其中包括煤的变质程度、煤层厚度、煤对瓦斯吸附性能、顶底板岩性及透气性、埋藏深度、地质构造等。国内外大量的实验表明：在相同的瓦斯压力下煤的变质程度越高，煤的吸附性能越好，煤吸附的瓦斯量越大[3]。很多专家学者研究了构造对瓦斯赋存的影响，提出密闭型构造能够较好的保存瓦斯不利于瓦斯流动，瓦斯压力和含量明显大于其它区域，开放型构造瓦斯有较好的扩散通道，瓦斯压力和含量低于其它区域。魏国营[4]、张建国[5]、邵国安[6]、李如波[7]、张铁岗[8]、申建[9]等专家学者分析了平顶山矿区构造对煤层瓦斯赋存的影响。张子敏等提出了煤矿瓦斯赋存的构造逐级控制理论，指出：瓦斯赋存主要受地质构造作用控制、构造挤压剪切作用控制着高瓦斯和构造煤分布、瓦斯和构造煤分布存在区域控制矿区、矿井控制采区采面的逐级控制特征。我国地域广阔，地形地貌复杂，成煤年代和成煤条件也各不相同，受地质条件影响，每一个矿区的煤层瓦斯赋存差异较大，其治理方法也各不相同。国内外的专家学者在煤的变质程度、煤对瓦斯吸附性能、顶底板岩性及透气性、埋藏深度、地质构造等对煤层瓦斯赋存影响做了大量研究，取得了丰硕的科研成果。但针对巨厚油页岩顶板赋存条件下近距离煤层群瓦斯的赋存规律及治理技术研究还相对较少，为此，在前人研究的基础上，提出了上覆巨厚油页岩近距离煤层群瓦斯防治技术[10-14]。

1 矿井概况

1.1 矿井地质概况

依兰煤田位于哈尔滨市依兰县境内。该区构造位于新华夏系第二隆起带张广才岭隆起北缘。本区断层比较发育，主要有北东向、北西向2组断层，以正断层为主，逆断层次之，北东向断层发育。本区已查明断层19条[15]。含煤地层为第三系达连河组地层，煤层集中分布于含煤段。本区含煤段最小厚度为7.78 m，最大厚度为100.34 m，一般在10～60 m，含煤段平均厚度为41.92 m。现已查明含煤3个层组，5层煤（上1、上1-上2、上2、中、下），其中可采煤层4层，分别为上1、上2、中及下煤层，均为长焰煤，煤层变质程度较低[15]。油页岩段（E2d3）位于煤层群上部，主要由巨厚的油页岩和薄层粉细砂岩组成，最小厚度为32 m，最大厚度为165 m，一般厚度70～140 m。油页岩段有由北向南变薄的趋势，中部厚，四周薄；受下部砂砾岩段的影响，砂砾岩向南增厚，油页岩段变薄[15]。

矿井设计首采上1煤层，首采工作面走向长200 m，倾向长800 m，采用倾向长壁采煤，综采放顶煤开采。

1.2 矿井地质赋存特点

1）根据矿井的地质资料，该矿井可采煤层间距均小于10 m，为近距离煤层群。煤层群上覆岩层为70～140 m的巨厚油页岩，油页岩上部为砂泥岩，煤层群的底部为海西期花岗岩，岩层致密。从顶底板岩性来看，煤层群围岩的透气性不好，为煤层群内的瓦斯封存提供了有利条件。

2）区内大断层较多，有正断层也有逆断层。断层直接影响煤层瓦斯赋存，开放性断层，为煤层瓦斯逸散提供条件，断层附近的瓦斯含量和瓦斯压力减小；封闭性断层阻止瓦斯逸散，断层附近的瓦斯含量和瓦斯压力增大，可能形成高瓦斯区。

3）随着埋深的增加，地应力增加，煤层中瓦斯向外逸散的通道受阻，瓦斯含量和瓦斯压力随之增大。实践表明，瓦斯压力和瓦斯含量会随着埋藏深度呈线性增加，增加的趋势因地质条件而定。现矿井开采水平为+600 m水平，水平大巷埋深700 m。

1.3 矿井瓦斯赋存规律

地勘期间瓦斯采样测试显示，本区自然瓦斯含量最高为6.38 m3/t，最小为0.10 m3/t，平均为2.37 m3/t。本区煤层瓦斯有由浅至深、由东至西逐渐升高的趋势。

井下实测瓦斯基础参数见表1。由表1可知，矿井瓦斯赋存不均衡，主要是区内断层较多，而已正断层为主，因此煤层瓦斯压力测定的测点有2/3左右的数值较低，1/3左右的测点数值较大。测定的煤层瓦斯压力最大值均超过了煤与瓦斯突出临界值0.74 MPa，具有潜在突出危险性。各煤层瓦斯压力在同等标高下数值相近，主要是由于各煤层间距近，各煤层的之间的岩层为各煤层间瓦斯流动提供了较多的通道。根据上部开采期间的瓦斯情况来看，整体上是随着埋藏深度的增加瓦斯呈增大趋势。从瓦斯含量测试数据来看，也体现了瓦斯赋存的不均衡性，其中，中煤层瓦斯含量超过了8 m3/t。从测试数据来看煤层透气性各煤层差异较大，上1、上2和下煤层为可抽煤层，中煤层为较难抽采～可以抽采。

表1 井下实测瓦斯基础参数Table 1 Underground measured gas foundation parameters

1.4 上覆巨厚油页岩近距离煤层群瓦斯赋存特点

1）煤系地层位于巨厚油页岩和坚硬花岗岩之间，煤层群顶、底板通气性不好，不利于瓦斯逸散，为瓦斯的封存创造了条件。虽然煤层变质程度低，但实际测定的瓦斯压力及含量较高。

2）矿区内构造复杂，断层发育，以正断层为主、逆断层次之，断层的影响造成了瓦斯赋存不均衡。

3）煤层埋藏深度超过700 m，地应力较大，且煤层透气性不好，不利于瓦斯流动。

4）近距离煤层群开采，各煤层之间瓦斯压力相近，说明各煤层瓦斯有相互连通的通道，开采首采层时，受采动影响其它煤层瓦斯会大量涌入首采层采动空间，首采层的瓦斯治理难度较大。

5）各煤层瓦斯压力均超过0.74 MPa，存在煤与瓦斯突出可能，应首先考虑煤与瓦斯突出防治。

2 上覆巨厚油页岩近距离煤层群瓦斯治理技术

根据该矿区的地质条件及瓦斯赋存特点，首先应考虑煤层的开采顺序，其次应考虑煤与瓦斯突出防治，最后考虑回采期间瓦斯超限的治理[16-17]。

2.1 开采顺序的选择

井下实测上1煤层最大瓦斯压力为1.23 MPa，上2煤层最大瓦斯压力为0.95 MPa，中煤层最大瓦斯压力为1.4 MPa，下煤层最大瓦斯压力为1.58 MPa。从瓦斯压力测定结果来看，这4个煤层具有潜在突出危险性。根据突出矿井的瓦斯治理应坚持区域防突措施先行、局部防突措施补充的原则。矿井为煤层群开采，应首先考虑保护层开采。

1）从保护层开采的角度分析。结合矿井的煤层赋存情况，中煤层作为主采煤层，应优选上1或上2煤层作为保护层开采。由于上1、上2均有突出危险可能性，则可考虑将上1煤层作为保护层开采，原因是从防治煤与瓦斯突出角度分析首采上1煤层有利于各煤层的消突，而且上1煤层采完后再采上2煤层时，在卸压范围内的上2煤层在经过区域验证后无突出危险情况下可以不对上2煤层回采工作面进行预抽，减少预抽钻孔工程量。

2）开采下保护层不破坏被保护层的最小层间距。保护层的选择原则中规定“开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件”，开采下保护层时，上部被保护层不被破坏的最小层间距应根据矿井开采实测资料确定；如无实测资料时且煤层倾角小于60°时，可参照式（1）进行确定。具体为：①上2保护层厚度为2.59 m，煤层角度为14°计算出允许最小间距为25.1 m；②中保护层厚度为6.8 m，煤层角度为14°计算出允许最小间距为65.98 m；③下保护层厚度为1.94 m，煤层角度为14°，计算出允许最小间距为18.82 m。可以看出，分别开采上2、中、下煤层作为保护层时，均破坏了上部煤层的开采条件，因此应先开采上1煤层作为保护层，然后自上至下依次开采下部各煤层。

式中：H为允许采用的最小层间距，m；K为顶板管理系数，垮落法管理顶板时，取10，充填法管理顶板时，取6[18]；M为保护层的开采厚度，m；a为煤层倾角，（°）。

3）保护层开采后的残余瓦斯压力分析。从上1煤层作为保护层开采消除被保护层瓦斯突出危险性来看，上1煤层开采后，上2煤层计算残余瓦斯压力为0.28 MPa，中煤层残余瓦斯压力为0.84 MPa，下煤层残余瓦斯压力为1.4 MPa，采上2后中煤层残余瓦斯压力为0.45 MPa，下煤层残余瓦斯压力为0.98 MPa。从残余瓦斯压力来看，首采上1煤层，从上至下依次开采，能够消除被保护层的突出危险性。

4）从瓦斯涌出量预测结果分析。首采各煤层回采工作面时瓦斯涌出量预测结果见表2。

表2 首采各煤层回采工作面时瓦斯涌出量预测结果Table 2 Prediction results of gas emission at working face of each coal seam in the first mining face

由表2可知，首采上1煤层时，将上1煤层作为保护层开采后下部煤层回采期间工作面瓦斯涌出量明显减小，有利于瓦斯治理[18]，综上所述，从上向下依次开采对于瓦斯治理更为有利。首采上2煤层，瓦斯涌出量最大，若只靠通风解决需要增加将近2 000 m3/min风量，若抽采解决需要增加250 m3/min的抽采量。首采中煤层时本煤层瓦斯涌出量占比增大，而中煤层透气性不好，本煤层若不采取增透措施，能抽出的瓦斯量有限，而且要增大抽采量，预抽时间需要增长，影响开采进度。因此，从瓦斯涌出量大小和瓦斯治理的难度的角度来看，首采上1煤层，从上至下依次开采较为合理[18]。

从防治煤与瓦斯突出、防治瓦斯超限的角度综合来看，应优先开采上1煤层，然后由上向下依次开采。

2.2 煤层瓦斯抽采技术

瓦斯抽采是有效解决瓦斯问题的必要手段，在首采上1煤层的基础上，瓦斯抽采分为2部分：一部分是开采前对掘进巷道和回采区域进行消突，另一部分是回采期间瓦斯大量涌出的防治。由于上1煤层最大瓦斯压力1.23 MPa，在进入煤层前应对揭露煤巷的条带进行预抽。煤层瓦斯压力降低后掘进煤巷形成工作面，在煤巷掘进期间向回采区域施工顺层钻孔预抽煤层瓦斯。回采期间由于首采工作面瓦斯涌出量最大，应采用大流量抽采系统抽采采空区和邻近层瓦斯。为了拦截受采动影响的下部煤层卸压瓦斯，可在底抽巷向回采空间施工穿层钻孔抽采下部煤层的卸压瓦斯。

1）首采面消突的抽采方法。煤层消突的方法是预抽煤层瓦斯，预抽分为定向钻孔预抽、底板/顶板穿层钻孔预抽，考虑到矿井为近距离煤层群开采，从上1煤层顶板到下煤层底板30 m左右，根据煤层赋存条件选择底板穿层钻孔进行预抽，在下煤层底板垂距15 m的位置施工2条底抽巷分别对进回风运输巷施工穿层钻孔，抽采条带瓦斯，钻孔控制宽度超过巷道两边15 m。穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯方法如图1。在煤巷条带瓦斯消突之后，验证无突出危险后，进行煤巷掘进，在煤巷掘进期间，从进回风运输巷分别向回采空间施工钻孔，钻孔搭接距离为5 m。

图1 穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯示意图Fig.1 Strip gas schematic diagram of pre-drainage roadway through layer drilling

2）回采期间采空区瓦斯抽采方法。首采上1煤层采空区和邻近层瓦斯涌出占69.67%。因此，采空区和邻近层瓦斯是治理的重点，采空区和邻近层瓦斯治理的主要手段有高抽巷、高位定向长钻孔以孔代巷等抽采方法。每一种抽采方法都有一定的适用性。高抽巷适用于工作面涌出总量大、抽采量大的工作面瓦斯治理，但施工成本较高。高位定向长钻孔以孔代巷适用于顶板岩石较硬，钻孔不易塌孔的煤层瓦斯治理。因此，综合考虑，由于工作面采用倾向俯采，工作面开切眼标高在埋藏深度在400 m左右，上部的瓦斯含量和瓦斯压力较小，因此，工作面回采初期瓦斯比后期要小，考虑到成本首采工作面开采初期可以采用定向钻孔以孔代巷的抽采方法进行抽采，后期采用高抽巷进行抽采，高抽巷治理瓦斯示意图如图2。

图2 高抽巷治理瓦斯示意图Fig.2 Gas control schematic diagram of high drainage roadway

3）底抽巷抽采钻孔抽采回采区域卸压瓦斯。在回采首采煤层时，受采动影响下部煤岩层形成裂隙，为瓦斯流通提供便利，下部及围岩中赋存瓦斯，涌向开采空间。为了拦截下部煤层瓦斯，可在底抽巷向回采空间施工间距较大的钻孔(根据以往相似矿井施工经验初步确定10 m×10 m）。这些钻孔可以拦截下部煤层涌向开采空间，回采后抽采空区内瓦斯。底抽巷抽采钻孔抽采回采区域卸压瓦斯示意图如图3。

图3 底抽巷抽采钻孔抽采回采区域卸压瓦斯示意图Fig.3 Schematic diagram of pressure relief gas drainage in mining area by bottom drainage roadway drainage borehole

2.3 瓦斯治理效果

根据以上抽采方法对上1煤层首采工作面进行治理，采用底板抽采巷道施工穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯+顺层钻孔抽采回采区域瓦斯的方法进行了首采面的消突,预抽2个月后的残余瓦斯压力为0.31～0.56 MPa，上1煤层掘进期间瓦斯浓度在0.1%～0.5%，绝对涌出量在0.5～2.5 m3/min。未发生煤与瓦斯动力现象。

回采前期采用定向钻孔以孔代巷+采空区埋管+底抽巷钻孔抽采回采区间采动影响瓦斯的抽采方法，到工作面中部后采用高抽巷+底抽巷钻孔抽采回采区间采动影响瓦斯的抽采方法，由于前期煤层处于浅部，各煤层瓦斯含量低，此时采用定向钻孔以孔代巷抽采，高抽巷位置在上1煤层顶板20 m，沿煤层倾向布置，最边缘钻孔距回风巷水平投影距离20 m,钻孔间距10 m，钻孔数3个，钻孔孔径133 mm。工作面涌出量在6～10 m3/min，抽采量在10～15 m3/min。后期采用高抽巷抽采，高抽巷距上1煤层顶板20 m，水平投影距回风巷20 m，巷道断面2 m×2 m，瓦斯涌出量在10～15 m3/min，抽采量15～20 m3/min。随着工作面的推进及顶板周期来压瓦斯瓦斯涌出及抽采量呈波动性变化。回采期间未出现长时间超限现象，保证了首采工作面的安全开采。

3 结 语

1）通过对上覆巨厚油页岩近距离煤层群加底板为花岗岩的特点分析，得出该条件下各煤层瓦斯压力及含量大，首采工作面瓦斯涌出量大，治理难度较高。

2）从防治煤与瓦斯突出、防治瓦斯超限的角度综合分析，应优先开采上1煤层，然后由上向下依次开采。

3）上覆巨厚油页岩近距离煤层群瓦斯治理方法是采前消突+回采防超限。消突采用底板巷道施工穿层钻孔预抽巷道条带瓦斯+顺层钻孔预抽回采空间瓦斯。回采期间采用采用定向钻孔以孔代巷+采空区埋管+底抽巷钻孔抽采回采区间采动影响瓦斯的抽采方法，到工作面中部后采用高抽巷+底抽巷钻孔抽采回采区间采动影响瓦斯的抽采方法。

4）采用该方法进行治理，掘进期间瓦斯浓度在0.1%～0.5%，绝对涌出量在0.5～2.5 m3/min，未发生煤与瓦斯动力现象。回采期间工作面涌出量在6～15 m3/min，抽采量在10～20 m3/min，未出现长时间超限现象。